浮魚礁發展現狀及其在南海海洋牧場中的應用展望

馮博軒,許 強,孫春陽,高 菲,王愛民,朱宇鵬

(1 海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室,海南 海口 570228;2 海南大學海洋學院,海南 海口 570228;3 海南省熱帶水生生物技術重點實驗室,海南 海口 570228;4 三沙國海信通科技發展有限公司,海南 海口 570100)

過度捕撈和海洋污染使海洋環境急劇惡化,漁場遭到破壞,漁業資源枯竭和漁業海域荒漠化的問題愈發嚴重,海洋漁場亟需得到保護和修復[1]。如何有效保護和恢復漁業資源、增加資源補充量是沿海國家當前亟需解決的問題。在此背景下,基于海洋生態系統原理,在特定海域,通過投放人工魚礁、增殖放流等措施,構建或修復海洋生物繁殖、生長、索餌和避敵所需的場所,以系統化達到增殖、養護漁業資源,改善海域生態環境的目的,實現漁業資源可持續利用的海洋牧場漁業模式應運而生[2]。

人工魚礁(Artificial Reef)是海洋牧場建設中的一個關鍵環節。人工魚礁可以改變海洋中魚類的生存環境,減少傳統掠奪式的拖網作業,具有增殖和聚集魚類的效果[3],同時還可為游釣和潛水等休閑漁業提供良好支撐[4]。傳統意義上的人工魚礁主要由鋼筋混凝土或鋼材等材料制成,投放在海底誘集底層魚類,以用來修復海洋生態環境。沉式魚礁的應用特點是要求投放區域水深為100 m以淺(10～60 m為優)[5],海底寬闊平坦,泥沙淤泥少,底質堅硬[6-7]。目前南海海域(廣東、廣西、海南)近岸規劃的海洋牧場區水深一般在50 m以淺。隨著經濟社會發展,如果將海洋牧場的區域擴大到水深60 m乃至100 m,沉式魚礁受限于水深的要求,在這些海域將無法得到充分應用,海洋牧場的建設區域也會因此受到限制。浮魚礁則可以突破海域水深的限制,擴大人工漁場、海洋牧場等建設應用的區域。

本研究闡述了浮魚礁的發展現狀,綜合介紹了當前國內外主流的浮魚礁類型、結構特點及功能特征,總結了目前浮魚礁的改良方向,并闡明了浮魚礁應用存在的潛在生態風險,最后分析了浮魚礁在中國南海熱帶海洋牧場區域應用的可行性及前景。

1 浮魚礁的分類與特點

浮魚礁根據是否固定海底可分為兩類:漂浮型和錨定型(圖1)[8-9]。兩者在水動力特征、生物誘集效果等方面有很大的不同。漂浮型魚礁設施受水流運動的影響更明顯,進而對幼蟲的附著和食物獲取產生影響[10]。Perkol-Finkel等[11]通過兩年的調查研究發現,漂浮型和錨定型設施上所附著的苔蘚蟲、雙殼類、藤壺和海綿等主要生物類群存在明顯的差異,并且該差異化隨時間的推移而增大。

圖1 兩種常見的浮魚礁Fig.1 Two common floating reefs

漂浮型浮魚礁又分為天然漂浮魚礁和人造漂浮魚礁兩種。最常見的天然漂浮魚礁是沿海地區漂流的原木和樹枝,也包括繩索、油桶、漁標等人類來源的漂浮碎片。人造漂浮魚礁中的魚類聚集裝置(Fish Aggregation Devices)是人類專門為捕魚目的而建造和部署的。竹筏是魚類聚集裝置的常用原材料之一,通常在其周圍固定圍網、軟木塞等配件增加強度和提供浮力[12],自然垂下的網片既能作為隨水流漂泊的非固定錨,又能為各種大洋性魚類提供藏身棲息之所[13]。魚類聚集裝置由專業的漁業捕撈船只進行投放,通過中上層魚類具有向海面漂浮物附近聚集的趨向性行為對誘集大洋性魚類進行捕撈[14]。同時,裝置內需裝配可發射特定頻率無線電的定位浮標以確保投放船只跟蹤捕撈,其對定位浮標性能要求高,需要具有較好的船隊和經濟基礎。當前全球大部分魚類聚集裝置主要應用于金槍魚圍網捕撈等捕撈作業[15]。中國金槍魚圍網船隊長期以來也偏向于使用魚類聚集裝置捕獲金槍魚,其捕獲的產量占到總漁獲量的一半以上[16]。魚類聚集裝置在漁業捕撈中得到了廣泛使用,但在促進魚類等海洋生物產卵、孵化、培育保護水生生物,暫時停留洄游性魚類的產卵、保育、滯留等方面存在局限性。

錨定型浮魚礁主要由錨塊、錨繩和浮體組成,可以固定在海底(圖1b)[17],相比于漂浮型浮魚礁,不易丟失,方便管理和研究工作的開展。錨定型浮魚礁不僅可用于幫助漁民小規模捕魚,還可用于生態養護、增殖聚魚、修復海域環境[18]。錨定型浮魚礁可以個性化定制改造,如可安裝位置定位、聲吶等功能,實現信息化監測管理,節省人力。此外,錨定型浮魚礁可以不受海域限制,可改造設置在大水深海域,如深海浮魚礁,應用更加廣泛[19]。

2 國外錨定型浮魚礁的發展現狀

2.1 錨定型浮魚礁在東南亞、南亞的發展

錨定型浮魚礁在菲律賓、印度尼西亞、馬爾代夫等國家得到廣泛使用。例如,菲律賓最常見的錨定型浮魚礁被稱為“Payao”,最開始只是簡單的竹捆,由底部安裝的一條綁縛著椰子樹葉的繩子固定在海底,后來演變成結構良好的雙層竹筏,將灌滿混凝土的桶沉放海底作為“Payao”的錨碇系統[20]。印度尼西亞將其傳統的錨定型浮魚礁稱為“Rumpon”,與“Payao”相似,“Rumpon”同樣是由竹筏、椰葉等材料構成,投放在水中以吸引中上層小型魚類[21],但是這些由原始材料構造而成的魚礁,使用壽命普遍只有兩個月甚至更短[22]。馬爾代夫是印度洋上使用錨定型浮魚礁數量最多的國家之一。馬爾代夫擁有世界上最大的錨定型浮魚礁矩陣。與菲律賓等國家通過椰葉、竹筏等天然材料固定而成的浮魚礁不同,馬爾代夫所使用的浮魚礁其漂浮部分采用纖維增強塑料(FRP)等現代材料,同時使用化學纖維網片,一方面作為藻類等生物的附著基,另一方面用來增大魚類的吸引范圍,這種浮魚礁平均壽命兩年有余[23]。

2.2 錨定型浮魚礁在日本的發展

相比于東南亞和南亞國家,日本在錨定型浮魚礁領域的開發與利用處于世界領先地位,許多學者從不同的角度提出了浮魚礁不同的分類方法。目前較為常用的是日本學者熊本修太的分類方法,他根據錨定型浮魚礁主體所處的水層位置分成3類[24]:始終浮在海面上的表層型浮魚礁(圖2左);低流速時浮于海面、流速大時浮體可沒入水下的表中層型浮魚礁(圖2中);始終定位于海面下方特定深度的中層型浮魚礁(圖2右)。

圖2 日本3種常用浮魚礁的形態結構Fig.2 The morphological structure of three common floating reefs in Japan

依據放置海域和作業形態的不同,這3種類型的浮魚礁可以分開使用,也可以組合使用。3種浮魚礁的功能、材質如表1所示。

表1 3種常見浮魚礁的特點Tab.1 Characteristics of three common floating reefs

除了上述分類方法外,日本學者若林良和[25]基于制造價格、使用用途、設置位置和功能性將錨定型浮魚礁分為“傳統型”“簡易型”和“尖端型”3類。

“傳統型”浮魚礁是3種類型中最為原始的一種。使用時先將10 cm左右粗的毛竹剪成合適的長度,再用鐵絲將幾根或十幾根裁剪好的毛竹固定成捆,通過下方的錨繩連接錨碇(圖3)[26]即可完成制作。該類型浮魚礁的結構簡單、制作方便、造價低廉,通常用于集魚、捕魚,并不具備收集海況信息的功能,一般放置在沿岸海域的表層。

圖3 傳統型浮魚礁Fig.3 Traditional floating reef

“簡易型”浮魚礁的造價與結構介于“尖端型”和“傳統型”之間,是由高強度纖維骨架和耐高壓浮球組成的桶形結構(圖4)[27],外層通常會加裝網衣與人工海藻。

圖4 簡易型浮魚礁Fig.4 Simple floating reef

“簡易型”浮魚礁是一種兼具捕魚和休閑漁業的復合型浮魚礁,功能上更加接近尖端型,可以在浮體中間固定一定的監測儀器。該類型的浮魚礁主要放置在沿岸和近海區域的表層和中層,是一種表中層或是中層浮魚礁。

“尖端型”浮魚礁類似大型浮標,浮體下部設有供生物附著和魚類棲息的平臺結構(圖2左,圖5[27])。

圖5 尖端型浮魚礁Fig.5 High-end floating reef

這種礁體的成本最高,但對于上層魚類具有顯著的誘集效果,除了用于捕魚作業外,還可以發展垂釣等休閑漁業。該類型浮魚礁的浮體內部通常加裝有多種監測儀器,可以同步收集水溫、潮流等海況信息,擁有極大的功能拓展空間。這一類型的浮魚礁普遍放置在近海海域的表層,是一種表層浮魚礁。

3 浮魚礁常見功能簡述

3.1 監控自身位置

浮魚礁的主體通常會搭載位置監控裝置,可以在浮魚礁發生非正常移動的時候發出警報。其原理是通過位置監控裝置設置一定的范圍,如果浮魚礁超出設定的區域,位置監控裝置就會通過衛星和無線信號向相關部門發送信息,從而及時有效地處理事故。另外,浮魚礁所搭載的氣象、水文等監測設備同樣可以將數據發送到相關部門。中層型浮魚礁配有流出警報發射器,其作用是當浮魚礁由于錨繩斷裂等原因浮出海面時,通過衛星或無線信號向管理平臺發送信息。

3.2 收集海況信息

長期連續的水溫、鹽度、流向、流速等海況信息對科研工作者和漁業從業者來說都是極為重要的。浮魚礁作為一種位置固定、長期駐留在海中的大型設備,十分適合加裝監測儀器收集環境因子數據。Kakuma等[28]收集分析了14座大型浮魚礁的數據采集效果,研究發現,相較于衛星數據,依托于浮魚礁平臺獲取的海域環境因子數據更加全面細致準確。相較于派遣調查船只獲取數據,浮魚礁監測平臺可以有效地降低人力負擔和節約監測經費[29]。

3.3 助力信息化監測管理

傳統的魚類組成分析方法為拖網調查,這種方式會對魚類資源造成一定程度的破壞。浮魚礁作為半固定平臺,可以加裝多種觀測儀器。Takahashi等[30]通過遙控潛水器和縮時攝像機對浮魚礁毗鄰區域的魚類組成進行了分析,相比于傳統的拖網調查,該方式更有利于魚類資源的保護。

謝亞洲[31]利用超聲波生物遙測系統研究了浮魚礁的集魚效果,其原理是在目標物體內植入信號發生器,發射的固定頻率信號被固定在浮魚礁上的聲學信號接收器所接收并存儲,通過采集SD卡中的數據,便可以得到目標物在接收機信號范圍內的運動和深度等數據。目前的超聲波生物遙測技術可分為主動追蹤、水聲定位和被動監測3種類型。水聲定位和主動追蹤方法獲取的目標生物的位置信息更加準確,但是主動追蹤型的調查方法需要出動調查船,其追蹤范圍會受到調查船只航行能力的限制和實際海況的影響,難以進行大范圍、長時間的生態調查。此外,航行的船只本身也會對目標生物造成干擾。水聲定位方法需要提前在調查海域固定好接收設備,并且避開航線和漁船頻繁作業的海域,調查區域時常受到限制。被動監測方法的優勢在于無需船只的協助,只需將接收設備固定在浮魚礁上。這種方式可以實現長期有效觀測,數據獲取能力極強,并且通過增加接收設備的數量可以達到更廣范圍的監測調查[32-34]。其優勢還體現在數據的及時傳輸,極大地提高了生態調查的效率。

4 錨定型浮魚礁的最優設計與功能性探究

4.1 中國

長期以來,中國在浮魚礁領域的開發與研究都處于滯后階段。2005年,陳丕茂[35]對由竹筏、浮桶和廢棄輪胎組裝成的浮魚礁的增殖效果進行了初步研究,結果表明浮魚礁上的藻類等附著生物生長良好,為幼魚幼蝦提供了良好的索餌、隱蔽場所,并且浮魚礁周圍的經濟種類幼體比例明顯高于對比區域。之后的很長一段時間國內未有學者對浮魚礁的開發、功能性與增殖效果等開展進一步研究。

2015年后,國內學者對于浮魚礁的研究逐漸增加。盡管不同科研團隊的研究方向有所差異,但主要聚焦在浮魚礁的功能性研究,并大體可分為兩類。第一類聚焦于浮魚礁的整體設計。余求妹等[36]基于現有養殖設施——浮繩式網箱,設計探討了浮繩式網箱成為人工浮魚礁的可能性。張麗珍等[37]利用聚乙烯(PE)、毛竹、浮球等材料設計了現代化中上層浮魚礁,并在上面加裝了遠程觀察系統,研究發現改良后的浮魚礁與底層魚礁進行協同聯動的效果良好,可以擴大魚群的活動空間,提高對海洋的綜合利用。王江濤[4]對中上層浮魚礁的結構功能進行了細化,分別設計并模擬了海藻魚礁、變流魚礁和保育魚礁的流場和受力情況,可以更為有效地交換不同水層的海水并為魚類提供食物。沈衛星[38]研發了具有魚類馴化技術與海洋浮標技術的浮魚礁,并在寧波象山港對標記的黑鯛進行馴化和放流試驗,研究表明通過在浮魚礁上加裝水下音響對黑鯛進行馴化可以一定程度上解決放流后留魚率不高的問題。許強等[9]研發了適用于熱帶海洋牧場海域,可以與潛水等休閑漁業相結合的中層景觀懸浮魚礁,相關浮魚礁已經投放于三亞蜈支洲熱帶海洋牧場實驗示范區。

第二類則側重于對浮魚礁的結構優化。Wang等[39]研究了浮魚礁上不同粗細和材質的天然纖維網衣的降解速度和斷裂強度。張健等[40-41]研究了浮魚礁框架浮體運動軌跡、最大偏轉角度以及錨繩受力特性。潘鈞等[42]通過水槽試驗進一步探究了框架式浮魚礁在添加輔助繩之后的單錨系泊條件的穩定性,并建立了新型錨泊方式下的浮魚礁動力響應數值模型,分析了浮魚礁擺動角度、錨繩拉力、網衣系縛點總拉力的歷時變化。

4.2 日本

日本是世界上浮魚礁開發和利用最發達的國家之一,在浮魚礁研究和開發方面投入數十億美元資金,并在世界上處于領先地位。1992年,日本漁業、造船、環境評估等多個產業共同制定了錨定型浮魚礁的相關設計和制造標準。2015年,日本政府針對錨定型浮魚礁制定了相關要求[43]。同類型浮魚礁的整體結構趨于相似。因此日本學者的研究方向更偏向于對現存浮魚礁的結構優化。

宗景志浩等[44]研究了波浪中浮魚礁的運動和作用于錨繩的張力。井上悟等[45]研究了由多個球體相互連接組成的連續球型浮魚礁在水中受到的阻力大小。浮魚礁受潮流的影響會發生擺動,存在與附近作業漁船相撞的風險。大竹臣哉[46]就海洋表層波浪流速和礁體運動距離之間的關系進行了研究。日本高知縣政府放置了船型浮魚礁,該浮魚礁不僅與以往的圓形浮魚礁具有同等的浮力,而且受到正面的流動時,可以有效地減小流動投影面積和水流阻力,進而減輕系留索的負荷。惠吾江幡[47]對現存的船型浮魚礁的擺動運動情況進行了分析,發現在浮魚礁的船尾部分安裝穩定板可以有效減少擺動運動的幅度,該方法改良簡易且成本較低。

4.3 馬爾代夫

世界上大部分使用浮魚礁的國家并未針對浮魚礁作更加深入的研究,除中國和日本外,以馬爾代夫為代表的國家主要聚焦于對目前已經存在的浮魚礁進行使用效果、防丟失研究。

針對馬爾代夫浮魚礁每年遺失率超過80%的現狀,Shainee等[23]嘗試通過數學和計算機等途徑分析深水錨定型浮魚礁的受力,并嘗試使用懸鏈線方程對系泊系統進行解析,但最終失敗。Ebata等[48]通過收集大量馬爾代夫當地漁民的浮魚礁相關信息,總結了金槍魚在浮魚礁周圍的停留時間、位置和遠離因素。Govinden等[49]通過聲學遙感方式研究了馬爾代夫境內鰹魚和黃鰭金槍魚在錨定型浮魚礁上停留時間和運動行為。

總體上,日本在錨定型浮魚礁的研究最為長久深入,在浮魚礁領域處于世界領先地位。中國在錨定型浮魚礁的研究近幾年正在穩步增長,其他國家大都未進行或是僅僅只是研究目前已有浮魚礁的使用效果。

5 浮魚礁的潛在生態風險

5.1 制造海洋垃圾

海洋環境復雜多變,且受氣候影響可能出現極端海況,資料顯示,東南亞傳統浮魚礁的使用壽命不足兩個月[22],日本最新研發的高耐久性浮魚礁也僅有七八年的使用壽命[46]。達到使用壽命的浮魚礁容易脫離錨定系統,成為“幽靈”浮魚礁[50]。據統計,每年約有10%～20%的“Payao”型浮魚礁在漁場遺失[8]。這些脫離錨定區域的浮魚礁成了航行船只的潛在威脅,而隨海流漂泊上岸的浮魚礁本體也會產生額外的清理費用[51]。一些塑料和人工合成材料制作的部件會成為海洋垃圾,甚至進入海洋食物網,對珊瑚礁和公海區域造成污染[52]。

5.2 改變生物生長速率與生物習性

浮魚礁的投放為部分生物提供了新的棲息場所,改變了區域內魚類的食物鏈和運動軌跡。有研究顯示,在西印度洋投放浮魚礁后,該區域與非投礁區域周圍的鱈魚和黃鰭金槍魚的空腹率、食物多樣性均發生了改變,進而影響了其生長速率[53-54]。

如果浮魚礁投放在近海區域,可能會吸引大洋性的金槍魚向近海游動[55],大量浮魚礁的集中投放可能會改變金槍魚類大尺度的洄游模式,并最終危及種群的健康狀況[56]。這種由于棲息地改變所造成的金槍魚行為變動已被歸為 “生態陷阱” 假說[54-56]。

5.3 設計不合理致使生物死亡

當前國際上投放浮魚礁的區域涵蓋了一部分海龜和鯊魚的棲息地[57-58]。海龜和鯊魚同樣會被漂浮的魚礁所吸引,而浮魚礁的制作過程中通常會使用大量的網片。這些網片可能會導致海龜等生物在浮魚礁周圍游動的過程中被纏繞,使其最終無法掙脫而死亡[59]。有學者在收集到的遺失浮魚礁上發現了死亡的鈍吻海豚。鈍吻海豚是跨洋游泳生物,其死亡可能是被浮魚礁上的網衣纏繞而導致的[8]。此外,有報道稱與浮魚礁結構類似的海洋可再生能源裝置在安裝、使用的過程中會間接影響到海洋鳥類,增加海鳥碰撞、干擾、遷移等風險[60]。關于浮魚礁可能會造成的影響還需要進一步的研究。

在浮魚礁使用過程中,人們逐漸發現可能會存在一定的生態風險,如產生海洋垃圾、引起游泳生物死亡等。研發人員在浮魚礁的設計與投放中,應當有意識地減少海洋垃圾。如在設計浮魚礁前,對投放海域的海洋生物進行評估;在制作浮魚礁時,不使用或選取孔徑更大的網片;在制作時,選用可降解繩索和對生物附著更加友好的材料;在投放浮魚礁時,避開重點魚群的洄游路線等。

6 浮魚礁在南海海洋牧場應用的可行性與展望

6.1 中上層魚類資源養護功能

南海資源養護型海洋牧場有相當一部分布局在近岸及三沙島礁區域,海域水深跨度大,漁業資源明顯分為中上層和底層兩大類。常見漁獲物主要由藍圓鲹、鮐魚、竹莢魚和沙丁魚等中上層魚類以及紅鰭笛鯛、金線魚、蛇鯔、鰔魚、石斑魚等底層經濟魚類組成[61],基于誘魚器理念的浮魚礁對中上層漁業資源的聚集作用可以為海洋生物資源的養護與增殖提供助力[62],同時通過對結構的重新改良設計,浮魚礁可以與沉性魚礁結合,綜合利用水體空間營造立體棲息生境,對底層魚類和中上層魚類同時進行養護,提升資源養護效果,提高生物多樣性和漁業資源量。

6.2 休閑潛水觀光功能

南海水質清澈,珊瑚礁海域生物多樣性極高,發展休閑旅游型海洋牧場條件得天獨厚。在南海休閑型海洋牧場建設中,浮魚礁可進行專門的藝術造型設計成為景觀魚礁,并與珊瑚移植、海藻栽培等相結合,構建珊瑚花園或水下森林,投放在不適宜珊瑚等生長的深水區域,在中上層形成新的潛水觀光旅游區,為游客帶來獨特的視覺體驗。浮魚礁區對漁業資源的養護可支持多樣化的海釣、海底觀光、特色潛水等海洋旅游服務產品的推出,豐富海洋休閑旅游產業元素,打造南海休閑旅游型海洋牧場的獨特吸引力。

6.3 信息化監測平臺依托

表層浮魚礁作為氣象、水動力等監測設備的依托平臺已在國外進行了應用,南海海洋牧場水文條件復雜,信息化監測與管控需求更加迫切。因此,可依托浮魚礁作為平臺搭載各類型傳感器,構建海洋牧場資源環境指標剖面監測系統,通過調整中層浮魚礁的水層深度,可以實時收集不同水深的溫度、鹽度、深度、溶氧、葉綠素、pH、濁度等環境參數以及礁區魚類聚集效果的視頻。大型表層浮魚礁搭載氣象站、潮位儀等設備可有效對南海多發熱帶氣旋等災害進行監測和預警預報,為海洋牧場的生態安全提供保障。

6.4 深海大洋性海洋牧場空間拓展

南海水深50 m以內的海域面積僅占很小一部分,在近海用海空間緊張、用海矛盾日益突出及生態保護愈加嚴格的現狀下[63],遠離近岸的港口航運區、工業與城鎮用海區,依托離岸島礁深水海域構建深海大洋性海洋牧場將是未來的發展方向。浮魚礁不受水深限制的特點可在深海大洋性海洋牧場構建中發揮重要作用,一方面可對金槍魚等大洋性魚類進行增殖養護、形成中上層漁場,提升魚類資源量及可持續開發能力,另一方面能提升對島礁周邊海域的生物資源利用水平。

7 結語

綜上所述,開發不同場景的人工浮魚礁,實現結構多樣化、材質環保化、應用組合化以及監測自動化,將是未來研究的重要方向。浮魚礁因其獨特的漁業資源養護效果以及不受海域水深限制的特點,在南海海洋牧場建設中必將發揮重要作用。未來應加強浮魚礁與沉性魚礁如何結合發揮協同作用以促進上下層營養鹽、初級生產力等的物質能量循環研究,同時在礁體的科學選型與定制化設計、合理布局、錨泊系統安全設計、效果評估等方面還需要進行更加系統與深入的研究。